CN117473663A - 一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法 - Google Patents

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庞聪
王文庆
朱一乔
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Abstract

本发明公开了一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，涉及电机噪声仿真预测领域。具体为：计算牵引电机匀速工况下转轴传动端与非传动端轴承动态游隙大小；根据计算结果，计算生成转子所受到的偏心力；牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型建立及其计算，瞬态动力学计算收敛后得到与振动激励相关的物理量；将其到的与振动激励相关的时域物理量转换成频域物理量；建立牵引电机定子外壳的振动响应分析模型，将与振动激励相关的频域物理量加载到振动响应分析模型上，计算得到振动响应结果；建立牵引电机外表面辐射噪声模型，利用所得到的振动响应结果计算辐射噪声，即转子偏心噪声。本发明减少了噪声激励物理量的计算时间，实现了转子偏心噪声的精准预测。

Description

一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法
技术领域
本发明涉及电机噪声仿真预测领域，具体为一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法。
背景技术
转子偏心噪声是组成电机机械噪声的重要组成部分。目前牵引电机转子偏心噪声的性能评估主要通过现场测试数据并结合技术人员的经验完成，并依此提出相应的改进措施来实现电机降噪目的。由于此种方法缺乏对转子偏心噪声声场分布以及噪声源特性具体的研究和分析，无法在牵引电机的设计阶段提出降噪方案，仍然需要冗长的测试工作和改进过程来实现牵引电机的降噪目的。因此，需要提出预测电机转子偏心噪声性能的方法来更好的解决牵引电机降噪优化问题。
牵引电机的转子偏心噪声主要由转子在旋转过程中受到不平衡力的作用并通过轴承将其传递给定子外壳从而引发壳体振动产生辐射噪声。目前没有完善的牵引电机转子偏心噪声的仿真计算方法；同时，对于牵引电机这样的复杂工程模型，往往存在计算时间长、模型处理复杂等方面的困难。
发明内容
本发明为了解决牵引电机转子偏心噪声计算中，计算时间长、模型处理复杂的问题，提供了一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，包括如下步骤：
1）计算牵引电机匀速工况下传动端与非传动端的轴承动态游隙大小；
2）根据步骤1）的计算结果，计算生成转子所受到的偏心力；
3）牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型建立；
4）牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型计算，瞬态动力学计算收敛后得到与振动激励相关的物理量；
5）将步骤4）得到的与振动激励相关的时域物理量转换成频域物理量；
6）建立牵引电机定子外壳的振动响应分析模型，将步骤5）中与振动激励相关的频域物理量加载到振动响应分析模型上，计算得到振动响应结果；
7）建立牵引电机外表面辐射噪声模型，利用步骤6）得到的振动响应结果计算辐射噪声，即转子偏心噪声。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，考虑了牵引电机轴承动态游隙对转子偏心力大小的影响，将转子模型与定子外壳模型分离，将瞬态模型中输出的时域物理量转化成了振动响应模型中的频域激励，减少了噪声激励物理量的计算时间，实现了转子偏心噪声的精准预测。
附图说明
图1为本发明所述预测方法的原理流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，流程如图1所示：包括如下步骤：
1）计算牵引电机匀速工况下传动端与非传动端的轴承动态游隙大小；
轴承动态游隙的理论值依据具体轴承型号对应的使用说明书中有关轴承动态游隙计算公式计算得到；若与轴承动态游隙计算相关的参数无法通过计算或者实验确定时，则取其经验值并给予浮动范围之后参与计算；本实施例中，对其取经验值并给予±20%浮动范围之后参与计算。
2）根据步骤1）的计算结果，计算生成转子所受到的偏心力；具体为：
将转子几何模型导入ANSYS有限元计算软件中，对所有的部件赋予相应的材料属性，得到该转子的质量参数m，单位为kg；在MATLAB软件中根据（1）式生成时域上的偏心力载荷Fx、Fy，单位为N；所述转子几何模型包括所有的旋转部件；
（1）
式（1）中，e表示转子质量偏心距，单位为m；由步骤1）中的轴承动态游隙计算结果得到；w为电机转速对应的角频率，单位rad/s；t为时间，单位为s，且时长t至少为1s；计算生成的时域上的偏心力由一组相位差为四分之一周期长度的谐波载荷组成，谐波频率为电机转速角频率。
3）牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型建立；
根据牵引电机转子的结构形式建立电机转子的瞬态动力学模型；转子包括除轴承外所有的旋转部件，且除了与轴承连接位置的转轴保留了实体结构网格，剩余部件和几何体均用质量点替代；轴承的径向力学行为用非线性弹簧单元模拟；
将转子几何模型导入ANSYS有限元计算软件中的Transient Structure模块中，保留转轴传动端和非传动端与轴承配合的部分，对其使用结构网格划分，其余各个部件用质量点替代；在传动端与非传动端转轴与轴承配合位置的径向面内，分别设置两组相互垂直的非线性弹簧，用于模拟轴承的径向力学行为，弹簧的刚度为轴承的径向刚度，以位移-力的形式输入；传动端轴承弹簧朝向与非传动端轴承弹簧朝向平行。
4）牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型计算，瞬态动力学计算收敛后得到与振动激励相关的物理量；具体为：
将步骤2）计算生成的时域偏心力载荷通过远端力的方式加载到牵引电机转子的瞬态动力学模型上，远端力的加载位置应为转子的总质心位置；转子的质心位置沿轴向位于转子转轴的几何中心线上，其在转轴中心上线的具体位置通过质心定理计算出，首先计算不同材料的转子旋转部件的质心位置，再计算出所有旋转部件的总质心位置；计算完成后输出的与振动激励相关的物理量为转轴传动端与非传动端非线性弹簧时域上的响应力。
5）将步骤4）得到的与振动激励相关的时域物理量转换成频域物理量；首先需要对步骤4）中输出的时域弹簧响应力进行插值处理，以满足振动响应分析模型计算结果中对分析频率的要求；对插值后的两组轴承弹簧响应力进行DFT变换，使与振动激励相关的时域物理量在转换成频域物理量，包括传动端与非传动端，得到其频域上的实部与虚部幅值，并保留其相位信息。
6）建立牵引电机定子外壳的振动响应分析模型，将步骤5）中与振动激励相关的频域物理量加载到振动响应分析模型上，计算得到振动响应结果；定子外壳的振动响应模型计算方法采用基于模态叠加法的谐响应分析；
将牵引电机定子外壳的几何模型导入ANSYS Modal模块中，定子外壳为去除旋转部件后的静止部件，根据其结构形式建立模态计算模型，各配合部件采用线性接触连接；设置模态求解阶数，使其模态结果中的最高固有频率大于振动响应结果中所需最高分析频率的1.5倍；在ANSYS Harmonic Response模块中将模态计算结果和有限元模型传递至谐响应模块中，得到牵引电机定子外壳谐响应模型；将步骤5）中变换得到的弹簧响应力在频域上的实部与虚部幅值载荷加载到电机定子外壳上与轴承配合的轴承座处，传动端与非传动端响应力的加载位置和方向与牵引电机转子瞬态动力学中弹簧单元的位置和方向保持一致。
7）建立牵引电机外表面辐射噪声模型，利用步骤6）得到的振动响应结果计算辐射噪声，即转子偏心噪声；
将电机外表面进行面网格划分，并在其外侧建立空气域有限元模型，将步骤6）得到的电机振动响应通过边界条件施加于电机表面边界元网格上，计算频域下的牵引电机转子偏心振动辐射噪声预测结果，输出噪声频谱、云图等信息。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）计算牵引电机匀速工况下传动端与非传动端的轴承动态游隙大小；
2）根据步骤1）的计算结果，计算生成转子所受到的偏心力；
3）牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型建立；
4）牵引电机转子激励力的瞬态动力学模型计算，瞬态动力学计算收敛后得到与振动激励相关的物理量；
5）将步骤4）得到的与振动激励相关的时域物理量转换成频域物理量；
6）建立牵引电机定子外壳的振动响应分析模型，将步骤5）中与振动激励相关的频域物理量加载到振动响应分析模型上，计算得到振动响应结果；
7）建立牵引电机外表面辐射噪声模型，利用步骤6）得到的振动响应结果计算辐射噪声，即转子偏心噪声。
2.根据权利要求1所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤1）中，轴承动态游隙的理论值依据具体轴承型号对应的使用说明书中有关轴承动态游隙计算公式计算得到；若与轴承动态游隙计算相关的参数无法通过计算或者实验确定时，则取其经验值并给予浮动范围之后参与计算。
3.根据权利要求1所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：所述步骤2）具体为：将转子几何模型导入ANSYS有限元计算软件中，对所有的部件赋予相应的材料属性，得到该转子的质量参数m，单位为kg；在MATLAB软件中根据（1）式生成时域上的偏心力载荷Fx、Fy，单位为N；所述转子几何模型包括所有的旋转部件；
（1）
式（1）中，e表示转子质量偏心距，单位为m；由步骤1）中的轴承动态游隙计算结果得到；w为电机转速对应的角频率，单位rad/s；t为时间，单位为s，且时长t至少为1s。
4.根据权利要求3所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤3）具体为：根据牵引电机转子的结构形式建立电机转子的瞬态动力学模型；转子包括除轴承外所有的旋转部件，且除了与轴承连接位置的转轴保留了实体结构网格，剩余部件和几何体均用质量点替代；轴承的径向力学行为用非线性弹簧单元模拟；
将转子几何模型导入ANSYS有限元计算软件中的Transient Structure模块中，保留转轴传动端和非传动端与轴承配合的部分，对其使用结构网格划分，其余各个部件用质量点替代；在传动端与非传动端转轴与轴承配合位置的径向面内，分别设置两组相互垂直的非线性弹簧，用于模拟轴承的径向力学行为，弹簧的刚度为轴承的径向刚度，以位移-力的形式输入；传动端轴承弹簧朝向与非传动端轴承弹簧朝向平行。
5.根据权利要求4所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤4）具体为：将步骤2）计算生成的时域偏心力载荷通过远端力的方式加载到牵引电机转子的瞬态动力学模型上，远端力的加载位置应为转子的总质心位置；转子的质心位置沿轴向位于转子转轴的几何中心线上，其在转轴中心上线的具体位置通过质心定理计算出，首先计算不同材料的转子旋转部件的质心位置，再计算出所有旋转部件的总质心位置；计算完成后输出的与振动激励相关的物理量为转轴传动端与非传动端非线性弹簧时域上的响应力。
6.根据权利要求5所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤5）具体为：首先需要对步骤4）中输出的时域弹簧响应力进行插值处理，以满足振动响应分析模型计算结果中对分析频率的要求；对插值后的两组轴承弹簧响应力进行DFT变换，使与振动激励相关的时域物理量在转换成频域物理量，包括传动端与非传动端，得到其频域上的实部与虚部幅值，并保留其相位信息。
7.根据权利要求6所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤6）具体为：将步骤5）中与振动激励相关的频域物理量加载到振动响应分析模型上，得到振动响应结果；定子外壳的振动响应模型计算方法采用基于模态叠加法的谐响应分析；
将牵引电机定子外壳的几何模型导入ANSYS Modal模块中，定子外壳为去除旋转部件后的静止部件，根据其结构形式建立模态计算模型，各配合部件采用线性接触连接；设置模态求解阶数，使其模态结果中的最高固有频率大于振动响应结果中所需最高分析频率的1.5倍；在ANSYS Harmonic Response模块中将模态计算结果和有限元模型传递至谐响应模块中，得到牵引电机定子外壳谐响应模型；将步骤5）中变换得到的弹簧响应力在频域上的实部与虚部幅值载荷加载到电机定子外壳上与轴承配合的轴承座处，传动端与非传动端响应力的加载位置和方向与牵引电机转子瞬态动力学中弹簧单元的位置和方向保持一致。
8.根据权利要求7所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤7）具体为：利用步骤6）得到的振动响应结果计算辐射噪声，即转子偏心噪声：
将电机外表面进行面网格划分，并在其外侧建立空气域有限元模型，将步骤6）得到的电机振动响应通过边界条件施加于电机表面边界元网格上，计算频域下的牵引电机转子偏心振动辐射噪声预测结果，输出噪声频谱、云图。
9.根据权利要求2所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤1）中，计算轴承动态游隙相关的参数无法通过计算或者实验确定时，对其取经验值并给予±20%浮动范围之后参与计算。
10.根据权利要求3所述的一种牵引电机转子偏心噪声的仿真预测方法，其特征在于：步骤2）中，计算生成的时域上的偏心力由一组相位差为四分之一周期长度的谐波载荷组成，谐波频率为电机转速角频率。
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